尖晶石LiNi0.5Mn1.5O4高电压正极材料的制备及其电化学性能的研究

摘要

现今，锂离子电池已在便携式电子产品中得到了广泛的应用。随着电动汽车以及电网储能蓄电站的发展，锂离子电池应用的领域也变得多样化，因此，对锂离子电池性能提出了更高的要求，例如高能量密度、高安全性等。尖晶石LiNi0.5Mn1.5O4正极材料具有三维锂离子传输通道，其4.7V高电压平台赋予了它较高的能量密度(650Wh/kg)，明显高于其他4V正极材料(例如，LiCoO2500Wh/kg，LiMn2O4500Wh/kg，LiFePO4550Wh/kg)。因此，尖晶石LiNi0.5Mn1.5O4高电压正极材料已成为最有前景的锂离子电池正极材料之一。本硕士论文主要是围绕尖晶石LiNi0.5Mn1.5O4正极材料，对其制备方法以及电化学性能方面进行了研究，以下为本论文的主要工作:
　　首先，采用了浸渍法制备出了有序的LiNi0.5Mn1.5O4中空微球，并对LiNi0.5Mn1.5O4中空微球的电化学性能进行了研究。结果表明，不同温度下制备的LiNi0.5Mn1.5O4材料形貌揭示了中空结构形成与反应温度有着紧密的联系。在固相反应过程中，研究了退火步骤对形成有序的和无序的LiNi0.5Mn1.5O4中空微球的影响，并且分别对有序的和无序的LiNi0.5Mn1.5O4的电化学性能进行了对比。结果表明，有序的LiNi0.5Mn1.5O4中空微球比无序的LiNi0.5Mn1.5O4中空微球表现出更好的倍率性能(5C倍率下充放电，放电容量为116mAh/g;10C倍率下充放电，放电容量为85mAhg)和优异的循环性能。
　　其次，通过微调尖晶石LiNi0.5Mn1.5O4中Ni和Mn的化学计量比并采用浸渍法制备LiNi0.5-xMn1.5+xO4(x=0，0.05，0.1)中空微球。研究了LiNi0.4Mn1.6O4，LiNi0.45Mn1.55O4，LiNi0.5Mn1.5O4中空微球的物理性能和电化学性能。研究结果表明，调整尖晶石LiNi0.5Mn1.5O4中Ni和Mn的化学计量比可以引入Mn3+，成功地获得了无序的LiNi0.4Mn1.6O4，无序的LiNi0.45Mn1.55O4和有序的LiNi0.5Mn1.5O4中空微球。同时，含有适量Mn3+的无序LiNi0.45Mn1.55O4中空微球表现出最佳的倍率性能，在10C倍率下充放电，放电比容量为96.8mAh/g。
　　最后，研究了压片烧结对尖晶石LiNi0.5Mn15O4材料固相合成的影响。通过对比压片制备的LiNi0.5Mn1.5O4和未压片制备的LiNi0.5Mn1.5O4材料的物理化学特征和电化学性能，发现:尖晶石LiNi05Mn1.5O4材料的固相合成过程中，压片步骤有利于减少杂相的生成，并可以获得更小的一次粒子。同时压片LiNi0.5Mn1.5O4材料表现出非常出色的循环和高温稳定性，在常温下循环200次，容量保持率为96.7％，在55℃的高温下，容量保持率为77％。

目录

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致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 锂离子电池概述

1．2．1 锂离子电池发展史

1．2．2 锂离子电池的组成和工作原理

1．2．3 锂离子电池特点

1．3 锂离子电池电极材料

1．3．1 正极材料

1．3．2 负极材料

1．4 锂离子电池5V尖晶石型LiNi0．5Mn1．5O4正极材料

1．4．1 LiNi0．5Mn1．5O4的结构与性能特点

1．4．2 尖晶石LiNi0．5Mn1．5O4的制备

1．4．3 尖晶石LiNi0．5Mn1．5O4的缺点与改性方法

1．5 本论文研究背景和主要研究内容

第二章 实验方法和仪器设备

2．1 实验药品

2．2 实验主要仪器设备

2．3 材料的物理特性表征测试

2．3．1 材料晶体结构分析

2．3．2 材料形貌分析

2．3．3 元素分析

2．3．4 傅立叶变换红外光谱

2．4 材料的电化学性能测试

2．4．1 电极片的制备

2．4．2 扣式电池的组装

2．4．3 电化学性能测试

第三章 浸渍法制备有序(P4332型)尖晶石LiNi0．5Mn1．5O4中空微球

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 材料的制备

3．2．2 材料的表征和电化学性能测试

3．3 结果与讨论

3．3．1 反应温度对中空结构的影响

3．3．2 退火对有序结构的影响

3．3．3 有序LiNi0．5Mn1．5O4的电化学性能

3．4 本章小结

第四章 锂离子电池正极材料LiNi0．5-xMn1．5+xO4(x=0，0．05，0．1)中空微球的制备及其电化学性能研究

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 材料的制备

4．2．2 材料的表征和电化学性能测试

4．3 结果与讨论

4．4 本章小结

第五章 尖晶石LiNi0．5Mn1．5O4的制备及其电化学性能的研究

5．1 引言

5．2 实验部分

5．2．1 材料的制备

5．2．2 材料的表征与电化学性能测试

5．3 结果与讨论

5．4 本章小结

第六章 总结

6．1 本论文的创新点和研究意义

6．2 本论文的不足之处

参考文献

攻读硕士学位期间的学术活动和成果情况